"สสารมืด" ที่มองไม่เห็นในอวกาศทำให้กาแล็กซีต้องวิวัฒนาการ

2024 ผู้เขียน: Seth Attwood | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2023-12-16 16:17

ความลึกลับของสสารมืดที่ยังไม่คลี่คลายอีกต่อไป สมมติฐานที่แปลกใหม่เกี่ยวกับธรรมชาติก็ปรากฏขึ้น ซึ่งรวมถึงแนวคิดใหม่ล่าสุดเกี่ยวกับการสืบทอดหลุมดำยักษ์จากจักรวาลก่อนหน้า

เพื่อที่จะรู้ว่าบางสิ่งมีอยู่จริง ไม่จำเป็นต้องมองเห็นมัน ครั้งหนึ่ง ตามอิทธิพลของแรงโน้มถ่วงที่มีต่อการเคลื่อนที่ของดาวยูเรนัส ดาวเนปจูนและดาวพลูโตถูกค้นพบ และวันนี้การค้นหาดาวเคราะห์ X สมมุติที่อยู่บริเวณรอบนอกสุดของระบบสุริยะกำลังอยู่ในระหว่างดำเนินการ แต่ถ้าเราพบอิทธิพลดังกล่าวทุกที่ในจักรวาลล่ะ ยกตัวอย่างกาแล็กซี ดูเหมือนว่าถ้าจานกาแล็กซี่หมุน ความเร็วของดาวฤกษ์ก็จะลดลงตามวงโคจรที่เพิ่มขึ้น ตัวอย่างเช่น กรณีของดาวเคราะห์ในระบบสุริยะ: โลกวิ่งรอบดวงอาทิตย์ที่ 29.8 กม. / วินาทีและดาวพลูโต - ที่ 4.7 กม. / วินาที อย่างไรก็ตาม ในช่วงทศวรรษที่ 1930 การสังเกตการณ์เนบิวลาแอนโดรเมดาแสดงให้เห็นว่าความเร็วของการหมุนของดาวฤกษ์ของมันยังคงเกือบคงที่ไม่ว่าจะอยู่ที่ขอบนอกสุดเท่าใด สถานการณ์นี้เป็นเรื่องปกติสำหรับกาแลคซี่ และด้วยเหตุผลอื่นๆ ทำให้เกิดแนวคิดเรื่องสสารมืด

เทศกาลแห่งปัญหา

เชื่อกันว่าเราไม่ได้เห็นโดยตรง: สารลึกลับนี้แทบไม่มีปฏิสัมพันธ์กับอนุภาคธรรมดา รวมถึงไม่ปล่อยหรือดูดซับโฟตอน แต่เราสามารถสังเกตได้จากผลกระทบจากแรงโน้มถ่วงต่อวัตถุอื่นๆ การสังเกตการเคลื่อนที่ของดาวฤกษ์และเมฆก๊าซทำให้สามารถรวบรวมแผนที่รายละเอียดของรัศมีสสารมืดรอบจานของทางช้างเผือกได้ โดยพูดถึงบทบาทสำคัญที่ดาวฤกษ์ดังกล่าวมีต่อวิวัฒนาการของดาราจักร กระจุก และสเกลใหญ่ทั้งหมด โครงสร้างของจักรวาล อย่างไรก็ตาม ความยากลำบากเพิ่มเติมเริ่มต้นขึ้น สสารมืดลึกลับนี้คืออะไร? ประกอบด้วยอะไรและอนุภาคของมันมีคุณสมบัติอะไรบ้าง?

เป็นเวลาหลายปีแล้วที่ WIMPs เป็นปัจจัยหลักสำหรับบทบาทนี้ ซึ่งเป็นอนุภาคสมมุติที่ไม่สามารถมีส่วนร่วมในปฏิสัมพันธ์ใดๆ ยกเว้นความโน้มถ่วง พวกมันพยายามตรวจจับพวกมันทั้งทางอ้อม โดยผลจากปฏิสัมพันธ์ที่หายากกับวัตถุธรรมดา และโดยตรงโดยใช้เครื่องมืออันทรงพลัง ซึ่งรวมถึง Large Hadron Collider อนิจจาในทั้งสองกรณีไม่มีผลลัพธ์

"สถานการณ์ที่ LHC พบเฉพาะ Higgs boson และไม่มีอะไรที่เรียกว่า 'สถานการณ์ฝันร้าย' ด้วยเหตุผล" Sabine Hossenfelder ศาสตราจารย์แห่งมหาวิทยาลัยแฟรงค์เฟิร์ตกล่าว "ความจริงที่ว่าไม่พบสัญญาณของฟิสิกส์ใหม่ทำหน้าที่เป็นสัญญาณที่ชัดเจน: มีบางอย่างผิดปกติที่นี่" นักวิทยาศาสตร์คนอื่นๆ ก็จับสัญญาณนี้เช่นกัน หลังจากการตีพิมพ์ผลลัพธ์เชิงลบของการค้นหาร่องรอยของสสารมืดโดยใช้ LHC และเครื่องมืออื่นๆ ความสนใจในสมมติฐานทางเลือกเกี่ยวกับธรรมชาติของสสารมืดก็เพิ่มขึ้นอย่างเห็นได้ชัด และวิธีแก้ปัญหาเหล่านี้บางส่วนก็ดูแปลกใหม่กว่างานคาร์นิวัลของบราซิล

หลุมนับไม่ถ้วน

เกิดอะไรขึ้นถ้า WIMPs ไม่มีอยู่? ถ้าสสารมืดเป็นสสารที่เรามองไม่เห็น แต่เราเห็นผลของแรงโน้มถ่วงของมัน บางทีพวกมันอาจเป็นแค่หลุมดำ? ในทางทฤษฎี ในระยะแรกสุดของการวิวัฒนาการของจักรวาล พวกมันสามารถก่อตัวขึ้นเป็นจำนวนมาก ไม่ใช่จากดาวยักษ์ที่ตายแล้ว แต่เป็นผลมาจากการล่มสลายของมวลยิ่งยวดและสสารร้อนที่เต็มพื้นที่หลอดไฟฟ้า ปัญหาหนึ่ง: จนถึงขณะนี้ ยังไม่พบหลุมดำดึกดำบรรพ์เพียงแห่งเดียว และยังไม่ทราบแน่ชัดว่าเคยมีอยู่หรือไม่ อย่างไรก็ตาม มีหลุมดำอื่นเพียงพอในจักรวาลที่เหมาะกับบทบาทนี้

การสังเกตการณ์ของยานอวกาศโวเอเจอร์ 1 ที่ห่างไกลจากอวกาศไม่ได้เผยให้เห็นร่องรอยของรังสีฮอว์คิง ซึ่งอาจบ่งบอกถึงการปรากฏตัวของหลุมดำในยุคดึกดำบรรพ์ที่มีขนาดจิ๋วจิ๋ว อย่างไรก็ตาม สิ่งนี้ไม่ได้ยกเว้นการมีอยู่ของวัตถุที่คล้ายกันที่มีขนาดใหญ่กว่าตั้งแต่ปี 2015 เครื่องวัดระยะใกล้ LIGO ได้บันทึกคลื่นความโน้มถ่วงไปแล้ว 11 คลื่น และคลื่น 10 คลื่นนั้นเกิดจากการรวมตัวของหลุมดำที่มีมวลหลายสิบเท่าของมวลดวงอาทิตย์ สิ่งนี้เป็นสิ่งที่คาดไม่ถึงอย่างยิ่งในตัวเอง เนื่องจากวัตถุดังกล่าวเกิดขึ้นจากการระเบิดของซุปเปอร์โนวา และดาวฤกษ์ที่ตายไปแล้วจะสูญเสียมวลส่วนใหญ่ไปในกระบวนการนี้ ปรากฎว่าสารตั้งต้นของหลุมที่ผสานเป็นดาวฤกษ์ที่มีขนาดไซโคลเปียจริงๆ ซึ่งไม่ควรเกิดในจักรวาลเป็นเวลานาน ปัญหาอีกประการหนึ่งเกิดขึ้นจากการก่อตัวของระบบเลขฐานสองโดยพวกเขา การระเบิดของซุปเปอร์โนวาเป็นเหตุการณ์ที่ทรงพลังมากจนวัตถุที่อยู่ใกล้ๆ จะถูกโยนทิ้งให้ไกล กล่าวอีกนัยหนึ่ง LIGO ตรวจพบคลื่นความโน้มถ่วงจากวัตถุ ซึ่งลักษณะที่ปรากฏยังคงเป็นปริศนา

ในช่วงปลายปี 2018 นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์จากสถาบันวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีกรีนิช นิโคไล กอร์กาวี และผู้ได้รับรางวัลโนเบล จอห์น เมเธอร์ เข้าใกล้วัตถุดังกล่าวในช่วงปลายปี 2018 การคำนวณของพวกเขาแสดงให้เห็นว่าหลุมดำที่มีมวลหลายสิบเท่ามวลดวงอาทิตย์สามารถรวมกันเป็นรัศมีของดาราจักร ซึ่งแทบจะมองไม่เห็นในทางปฏิบัติสำหรับการสังเกต และในขณะเดียวกันก็สร้างลักษณะผิดปกติทั้งหมดในโครงสร้างและการเคลื่อนที่ของดาราจักร ดูเหมือนว่าบริเวณรอบนอกของกาแลคซีที่ห่างไกลจากจำนวนหลุมดำขนาดใหญ่ที่ต้องการนั้นมาจากไหน? ท้ายที่สุดแล้ว ดาวมวลสูงส่วนใหญ่เกิดและตายใกล้กับศูนย์กลางมากขึ้น คำตอบที่ Gorkavy และ Mather ให้มานั้นแทบไม่น่าเชื่อ: หลุมดำเหล่านี้ไม่ได้ "มา" ในแง่หนึ่งที่พวกมันมีอยู่เสมอมาตั้งแต่ต้นจักรวาล สิ่งเหล่านี้คือเศษของวัฏจักรก่อนหน้าในลำดับที่ไม่มีที่สิ้นสุดของการขยายและการหดตัวของโลก

เส้นทึบแสดงความเร็วโคจรที่แท้จริงของดาวฤกษ์และก๊าซที่โคจรรอบใจกลางดาราจักร จุด - คาดว่าในกรณีที่ไม่มีอิทธิพลของสสารมืด

พระธาตุแห่งการเกิดใหม่

โดยทั่วไป การกระดอนครั้งใหญ่ไม่ใช่แบบจำลองใหม่ในจักรวาลวิทยา แม้ว่าจะยังไม่ได้รับการพิสูจน์ เทียบเท่ากับสมมติฐานอื่นๆ มากมายเกี่ยวกับวิวัฒนาการของจักรวาล เป็นไปได้ว่าในชีวิตของจักรวาล ช่วงเวลาของการขยายตัวจะถูกแทนที่ด้วยการหดตัว "การล่มสลายครั้งใหญ่" - และการกระเด้งกลับครั้งใหม่ การกำเนิดโลกของคนรุ่นต่อไป อย่างไรก็ตาม ในรูปแบบใหม่ วัฏจักรเหล่านี้ดำเนินการโดยหลุมดำ ซึ่งทำหน้าที่เป็นทั้งสสารมืดและพลังงานมืด ซึ่งเป็นสสารหรือพลังลึกลับที่ก่อให้เกิดการขยายตัวอย่างรวดเร็วของจักรวาลของเรา

สันนิษฐานว่าโดยการดูดซับสสารและรวมเข้าด้วยกัน หลุมดำสามารถสะสมมวลรวมของจักรวาลได้มากขึ้นเรื่อยๆ ซึ่งจะทำให้การขยายตัวชะลอตัวลงแล้วหดตัว ในทางกลับกัน เมื่อหลุมดำมารวมกัน มวลส่วนหนึ่งของพวกมันจะหายไปด้วยพลังงานของคลื่นความโน้มถ่วง ดังนั้น หลุมที่ได้จะเบากว่าผลรวมของเทอมเดิม (เช่น คลื่นความโน้มถ่วงแรกที่บันทึกโดย LIGO เกิดขึ้นเมื่อหลุมดำที่มีมวล 36 และ 29 เท่าของมวลดวงอาทิตย์มารวมกันกับการก่อตัวของหลุมที่มีมวลเพียง " " 62 มวลดวงอาทิตย์) ดังนั้นจักรวาลยังสามารถสูญเสียมวล หดตัวและเติมด้วยหลุมดำที่ใหญ่ขึ้นเรื่อยๆ ซึ่งรวมถึงหลุมดำที่ใหญ่ที่สุดหลุมหนึ่งซึ่งอยู่ตรงกลาง

ในที่สุด หลังจากการรวมตัวของหลุมดำเป็นเวลานาน เมื่อส่วนสำคัญของมวลของจักรวาล "รั่ว" ในรูปของคลื่นความโน้มถ่วง มันจะเริ่มกระจายไปในทุกทิศทาง จากภายนอกจะดูเหมือนระเบิด - บิ๊กแบง ไม่เหมือนกับภาพบิ๊กรีบาวด์แบบคลาสสิก การทำลายโลกก่อนหน้านี้อย่างสมบูรณ์ไม่ได้เกิดขึ้นในแบบจำลองดังกล่าว และจักรวาลใหม่จะสืบทอดวัตถุบางอย่างจากพาเรนต์โดยตรง อย่างแรกเลย หลุมดำเหล่านี้ล้วนเป็นหลุมดำเหมือนกัน ซึ่งพร้อมที่จะแสดงบทบาทหลักทั้งสองในนั้นอีกครั้ง - ทั้งสสารมืดและพลังงานมืด

บรรพบุรุษที่ดี

ดังนั้นในภาพที่ไม่ธรรมดานี้ สสารมืดจึงกลายเป็นหลุมดำขนาดใหญ่ซึ่งสืบทอดมาจากจักรวาลสู่จักรวาล แต่เราต้องไม่ลืมหลุมดำ "ใจกลาง" ที่จะก่อตัวขึ้นในแต่ละโลกในช่วงก่อนวันตาย และจะคงอยู่ในโลกหน้าการคำนวณโดยนักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ได้แสดงให้เห็นว่ามวลของมันในพื้นที่ปัจจุบันของเราสามารถเข้าถึง 6 x 1051 กก. อย่างไม่น่าเชื่อ 1/20 ของมวลของสสารแบริออนทั้งหมดและเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง การเติบโตของมันสามารถนำไปสู่การขยายตัวของกาลอวกาศอย่างรวดเร็วยิ่งขึ้น และแสดงออกถึงการขยายตัวอย่างรวดเร็วของจักรวาล

แน่นอนว่าการปรากฏตัวของมวลไซโคลเปียนควรนำไปสู่การปรากฏตัวของความไม่เท่าเทียมกันที่เห็นได้ชัดเจนในโครงสร้างขนาดใหญ่ของจักรวาล มีผู้สมัครสำหรับความแตกต่างดังกล่าวแล้ว - Axis of Evil ทางดาราศาสตร์ สิ่งเหล่านี้ค่อนข้างอ่อนแอ แต่เป็นสัญญาณที่น่าตกใจมากของ anisotropy ของจักรวาล - โครงสร้างที่แสดงออกในนั้นในระดับที่ใหญ่ที่สุดและไม่เห็นด้วยกับมุมมองคลาสสิกของบิ๊กแบงและทุกสิ่งที่เกิดขึ้นหลังจากนั้น

ระหว่างทาง สมมติฐานที่แปลกใหม่ยังแก้ปริศนาทางดาราศาสตร์อีกเรื่องหนึ่ง ซึ่งก็คือปัญหาของการปรากฎตัวของหลุมดำมวลมหาศาลโดยไม่คาดคิดมาก่อน วัตถุดังกล่าวตั้งอยู่ในศูนย์กลางของกาแลคซีขนาดใหญ่และโดยไม่ทราบวิธีการก็สามารถได้รับมวลเป็นล้านหรือหลายพันล้านเท่าของมวลดวงอาทิตย์ในช่วง 1-2 พันล้านปีแรกของการดำรงอยู่ของจักรวาล โดยหลักการแล้วไม่ชัดเจนว่าพวกเขาสามารถหาเนื้อหามากมายได้ที่ไหนและยิ่งกว่านั้นเมื่อใดที่พวกเขาสามารถดูดซึมได้ แต่ภายในกรอบความคิดที่มีหลุมดำที่ "สืบทอดมา" คำถามเหล่านี้จะถูกลบออก เพราะตัวอ่อนของพวกมันอาจส่งมาหาเราจากจักรวาลที่ผ่านมา

น่าเสียดายที่สมมติฐานฟุ่มเฟือยของ Gorkavy ยังคงเป็นแค่สมมติฐาน เพื่อให้มันกลายเป็นทฤษฎีที่สมบูรณ์ จำเป็นที่การคาดการณ์ของมันจะต้องสอดคล้องกับข้อมูลเชิงสังเกต - และด้วยสิ่งนี้ที่ไม่สามารถอธิบายได้ด้วยแบบจำลองดั้งเดิม แน่นอนว่าการวิจัยในอนาคตจะทำให้สามารถเปรียบเทียบการคำนวณที่ยอดเยี่ยมกับความเป็นจริงได้ แต่สิ่งนี้จะไม่เกิดขึ้นในอนาคตอันใกล้นี้แน่นอน ดังนั้นในขณะที่คำถามเกี่ยวกับที่ซ่อนสสารมืดและพลังงานมืดคืออะไร ยังคงไม่มีคำตอบ